Em muitos lugares, incluindo o sul da Califórnia, as mudanças climáticas aumentaram a ameaça de seca e a necessidade de recursos hídricos novos e contínuos. Córregos de água de maior salinidade e, às vezes, água do mar, são considerados para aliviar essa escassez, mas exigem maior investimento em energia devido à necessidade de dessalinização desses córregos. A proximidade de algumas instalações de dessalinização de instalações de recuperação de águas residuais oferece uma oportunidade para coordenar os dois recursos hídricos diferentes. Pesquisadores da Escola de Engenharia USC Viterbi exploraram essas oportunidades para recuperar mais água, a um custo reduzido.
Em pesquisa publicada em Desalination , Amy Childress, Gabilan Distinguished Professor em Ciência e Engenharia, estudante de doutorado da USC Viterbi Xin Wei e Kelly Sanders, Dr. Teh Fu Yen Early Career Chair, estudaram cenários atuais e futuros de tratamento de águas residuais, particularmente no que diz respeito a fluxos de salinidade mais altos. O objetivo:fornecer o máximo de abastecimento de água possível, usando o mínimo de energia possível e com a gestão ambiental em mente.

"Embora a reutilização potável e a dessalinização tenham sido tradicionalmente consideradas partes separadas do portfólio de abastecimento de água", disse Childress, professor do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental de Sonny Astani, "faz sentido considerar maneiras de combinar o tratamento de águas residuais e a dessalinização para atender às metas de água e energia, garantindo a conformidade com os padrões ambientais."

Para entender essa oportunidade, é preciso considerar o contexto atual. Primeiro, a salinidade das águas residuais está aumentando, em parte devido à conservação da água. Este fluxo de água de maior salinidade é mais caro para tratar e pode exigir um processo de dessalinização. Avanços nas instalações de recuperação de águas residuais significam que os processos de dessalinização (como a osmose reversa, que filtra a água contaminada por meio de um material semipermeável para limpá-la) podem ajudar a tratar correntes de água com maior salinidade de forma relativamente eficiente.

Aproveitando a pressão da água existente

Disse Childress:"A salinidade está aumentando nas águas residuais devido à conservação da água e outras razões. Por exemplo, nas áreas costeiras, a água do mar pode invadir a infraestrutura das instalações de recuperação de águas residuais, aumentando também a salinidade. O impacto direto do aumento da salinidade é que você pode precisar para operar os processos de dessalinização existentes em pressões mais altas ou pode ser necessário introduzir um novo processo de dessalinização para tratar a água."

Tradicionalmente, os córregos de maior salinidade têm sido um recurso hídrico de menor prioridade devido ao uso intensivo de energia para dessalinizar esses córregos e limpar a água para atender aos padrões ambientais e regulatórios. No entanto, se um processo de dessalinização existente puder ser adaptado ou um novo processo de dessalinização puder ser adicionado, fluxos de salinidade mais altos que aproveitam a capacidade de dessalinização se tornam fluxos mais viáveis ​​para atender às demandas de abastecimento de água.

Existem tecnologias que podem ser adaptadas às instalações. Estes incluem:dispositivos de recuperação de energia (ERDs), que aproveitam a energia na saída de salmoura dos processos de dessalinização e a aplicam ao fluxo que está sendo tratado recentemente; e osmose reversa de circuito fechado (CCRO), que mantém a pressão no sistema em vez de liberá-la para a salmoura resultante. Isso ajuda a mitigar a carga adicional de sal sem adicionar uma carga adicional de energia, disse Childress.

Estratégias de gerenciamento de energia para recuperação de água

A descarga de salmoura é regulada por certos padrões, disse Childress, o que significa que a salinidade dos riachos descarregados deve estar abaixo de certos níveis e provavelmente semelhante à salinidade da água do oceano, que é de 35 gramas por litro. Inicialmente, Ph.D. o aluno Wei focou na mistura de córregos de diferentes fontes de água com a perspectiva de atender aos padrões regulatórios para concentrações de salinidade no córrego de água. No entanto, recentemente ela redirecionou sua pesquisa para considerar uma perspectiva diferente.

Disse Childress:"Em vez disso, consideramos, bem, se pudermos atender aos requisitos usando as águas residuais de maneira potável, em vez de apenas misturar os fluxos de resíduos para descarte no oceano, podemos reutilizá-los e aproveitar os recursos hídricos para que possamos tem esse suprimento adicional de água?"

Em instalações avançadas de purificação de água, o uso de membranas de osmose reversa - que aplicam pressão para empurrar a água através de um material semipermeável enquanto filtram os contaminantes - para água limpa tornou-se o padrão da indústria, apresentando uma oportunidade para tratar fluxos de águas residuais de maior salinidade.

Os altos custos de energia no setor de água levaram muitas instalações de tratamento de água e esgoto a incluir estratégias de gerenciamento de energia. Por exemplo, os dispositivos de recuperação de energia são comumente usados ​​em conjunto com processos de osmose reversa de alta salinidade para reduzir o consumo de energia do processo de dessalinização, disseram os pesquisadores.

Os dispositivos de recuperação de energia reduzem o consumo de energia transferindo a pressão deixada no fluxo de salmoura concentrada (já tratada) de volta para o fluxo de alimentação. Os dispositivos de recuperação de energia podem reduzir o consumo de energia nas instalações de dessalinização por osmose reversa da água do mar em até 67%, dependendo das condições de operação, disseram os pesquisadores.

Processos de osmose reversa de alta recuperação (por exemplo, osmose reversa de circuito fechado) estão sendo considerados em instalações avançadas de purificação de água para melhorar a recuperação de água, mantendo o consumo de energia baixo. Processos de membrana onde a água de alimentação é mais salgada requerem pressões mais altas (ou energia). Em um processo de osmose reversa regular, a pressão é fixada em um nível alto que pode superar a pressão final no concentrado. Na osmose reversa de circuito fechado, a pressão é aumentada gradualmente para se tornar um pouco mais alta do que a pressão necessária. Usando a pressão de alimentação variável no tempo, a osmose reversa de circuito fechado pode proporcionar maior economia de energia do que os dispositivos de recuperação de energia. Outro benefício da osmose reversa de circuito fechado é que ela pode descarregar menos água.

Disse Childress:"Estamos tentando avançar em direção à flexibilidade no tratamento da água - avaliando as diferenças nas qualidades da água e usando diferentes metodologias para tratar esse fluxo específico para obter a maior eficiência e menos desperdício".

O futuro da água

Considerações sobre como ser flexível e sustentável no tratamento dos recursos hídricos estão se tornando cada vez mais relevantes à medida que a seca causada pelas mudanças climáticas continua a ameaçar as fontes tradicionais de água.

“Em vez de criar uma nova tecnologia ou um novo processo de tratamento, estamos analisando sinergias que podem existir na coordenação de instalações adjacentes – algo que não está sendo feito atualmente”, disse Childress.

Olhando para o futuro, Childress disse que olhar para a água de maneira diferente pode ser fundamental para utilizá-la da maneira mais eficiente possível. Cidades como Los Angeles começaram a adotar uma iniciativa chamada "One Water", que visa olhar para todos os recursos hídricos da cidade como uma entidade e trabalhar para gerenciá-los de uma maneira mais ambiental, econômica e socialmente benéfica.

"Em vez de categorizar a água como águas pluviais versus águas residuais versus água do mar, e se disséssemos que é toda água que precisa ser tratada?" disse Childress. "Então podemos dar uma olhada em nossos sistemas e avaliar o que precisamos para conseguir isso. O objetivo final de uma cidade costeira como Los Angeles é fechar o ciclo da água - não enviando água para o oceano, mas identificando todos os recursos valiosos em o fluxo de descarga e encontrar maneiras de reutilizá-lo. No momento, é muito caro fazer isso, mas espero que seja para onde estamos indo."